Закономерности колебания грунта при землетрясениях очень разнообразны и существенно отличаются друг от друга, даже если они происходят в одном и том же месте. Как правило, для классификации закономерностей колебании грунта воспользуемся записями грунтов прошлых землетрясений. При наличии достаточного количества записей прошлых землетрясений для данной местности можно выделить их характерные типы. Однако количество записей прошлых сильных землетрясений пока очень мало для полноценной статистической обработки. Этот дефицит данных особенно ощутим для территории бывшего СССР и, в частности, для территории Республики Армения.
По характеру колебания грунта землетрясения подразделяются на ряд типов. Рассмотрим некоторые из них, которые происходили в разное время на разных регионах.
1. Сотрясения грунта с очень короткой продолжительностью
Такие движения грунта - результат землетрясения с четко направленным единственным толчком. На рис, 2,1.1 показана акселерограмма такого землетрясения, зарегистрированного в Порт Гуенеме 18 марта 1957 года. Велисограммы и сейсмограммы землетрясения, показанные на том же рисунке, были получены путем интегрирования акселерограммы. Такие кратковременные сотрясения грунта регистрировались при землетрясениях в 1966 году в Паркфильде (Калифорния) (рис, 2.1.2), в 1973 году в Ереване (рис. 2.1.3) и в 2002 году в Тбилиси (рис. 2.1.4).
Обычно такие движения грунта регистрируются на плотных грунтах на небольших расстояниях от эпицентра при землетрясениях с неглубоким очагом. Магнитуды таких землетрясений небольшие (в пределах 4.5-6.2). Продолжительность интенсивных участков сотрясений грунта не превышает 1-2 секунд, а преобладающие периоды колебаний (на акселерограмме) - 0,15-0,25 секунд. Такого типа разрушительные землетрясения произошли в Агадире в 1960 г., в Ливии в 1963 г., в Скопле в 1963 г., в Сан-Сальвадоре в 1965 г.
2. Крайне нерегулярные движения грунтов средней продолжительности
Как типичное землетрясение, при котором движение грунта имеет вышеназванный характер, многие сейсмологи указывают на землетрясение 18 мая 1940 года в Эль-Центро (Калифорния), На рис. 2.2 показана горизонтальная составляющая (север-юг) акселерограммы этого землетрясения. Запись произведена на расстоянии 50 км от эпицентра. Магнитуда землетрясения оценивается М=6.7, максимальное ускорение на записи - 0.32 g. Вычисленные- по акселерограммам максимальная скорость и перемещение грунта соответственно составили: 34.8 см/сек и 21 см. Периоды наиболее интенсивных колебаний (на окселерограмме) находились в диапазоне 025-0.6 сек. Подробно известны также другие характеристики этого землетрясения и места регистрации.
Интенсивность землетрясения по шкале MM в Эль-Центро составила IX баллов, в долине Империал Веяли оно образовало разрыв длиной 65 км с максимальной относительной подвижкой 4.5 метра. Землетрясение вызвало небольшие разрушения преимущественно в старых зданиях.
Грунт расположения станции регистрации состоял из верхнего слоя глины толщиной 20 м и слоя суглинка толщиной 12 м, ниже которых большой слой гравия и песка с vp = 1800м/сек. Так как максимальное значение на этой акселерограмме достаточно велико (0.32 g) и ее запись от начала до “хвоста” имеет высокое качество, со стороны специалистов она относится к числу характерных примеров записей ускорений грунта при сильных землетрясениях.
Поэтому не случайно, что эта акселерограмма неоднократно была использована для аналитической иллюстрации различных вопросов сейсмического воздействия на здания и сооружения.
3. Колебания грунта с большой продолжительностью
Как пример такого типа колебания грунта обычно принимается запись ускорения грунта во время землетрясения в Мехико 6 июля 1964 года с магнитудой М=6,7. Эта акселерограмма показана на рис. 2.3. Такой характер колебания грунта обычно регистрируется на больших расстояниях от эпицентра на сравнительно рыхлых грунтовых площадках. Приведенная на рис. 2.3 акселерограмма была регистрирована на расстоянии 200 км от эпицентра.
Им свойственны не большие пиковые ускорения и четко различимые преобладающие периоды. Достаточно большое значение максимальных перемещений грунта около 35 см, которые получились путем двухкратного интегрирования акселерограммы - результат как больших значений преобладающих периодов (около 2.5 сек по реальной акселерограмме и более 50 сек по рассчитанной сейсмограмме), так и погрешностей при установлении нулевой линии акселерограммы и способа интегрирования. Колебания грунта аналогичного типа наблюдались также при землетрясениях в Мексике 19 сентября 1985 г., в Куширо-Оки 15 января 1993 г. Их акселерограммы приведены на рисунках 2.46.2 и 2.46.11.
4. Движения грунта, сопровождающееся значительными остаточными деформациями, разжижением и оползневыми явлениями
Движения грунтов с такими характерными особенностями были зарегистрированы при землетрясениях в Чили, Аляске, в Ниигате. Характер колебания грунта этого типа существенно отличаются от рассмотренных выше типов. Продолжительность больших значений ускорений на акселерограммах в начале землетрясения небольшая. После достижения определенных значений амплитуд ускорений характер акселерограммы существенно изменяется — появляются длинопериодные колебания с небольшими амплитудами ускорений. На рис. 2.4 показана акселерограмма японского землетрясения с магнитудой M=7,5, зарегистрированного на расстоянии 60 км от эпицентра в Ниигате. Грунтовые условия места регистрации - мелкие пески большой мощности, которые подвергались разжижению. При достижении ускорения грунта 150-160 см/сек2 значений после 5-6 сек от начала землетрясения обычный характер акселерограммы сильно изменился, став длинопериодным (Т0=5,5 сек) с малыми значениями амплитуд ускорений.
В действительности закономерности колебания грунта при землетрясениях могут иметь промежуточные характеристики между изложенными выше типами. Основную роль здесь, по-видимому, играют грунтовые условия места регистрации, чем дальность от места расположения эпицентра. На этом вопросе мы еще остановимся в дальнейшем, а пока отметим некоторые общие черты изложенных типов движений грунта при землетрясениях.
Движения грунта первого типа имеют очень простой характер и к ним можно применить детерминистические методы. Вся сложность задачи заключается в сборе достаточного количества таких записей для данной местности.
Движения грунта второго типа по своему характеру очень близки к так называемому “белому шуму”. Такие движения представляют собой сумму элементарных колебаний (гармоник) с равными в среднем значениями амплитуд ускорений, но большим разбросом значений преобладающих периодов. Амплитуды ускорений разных гармоник подчиняются нормальному гауссовскому распределению, т.е. наивероятное значение ускорения близко к среднему арифметическому значению всех абсолютных значений ускорений гармоник, Ввиду большой нерегулярности таких движений при их использовании в качестве исходного внешнего воздействия целесообразно применение методов теории вероятностей.
Третий тип движения грунта образовывается от сейсмических волн первых или вторых типов, при их прохождении через многослойную неоднородную приповерхностную толщу. Поэтому здесь также целесообразно применение методов теории вероятностей.
Четвертый тип колебания грунта при землетрясениях очень трудно исследовать аналитически или смоделировать другими типами движений. На грунтовых участках, подвергающихся большим пластическим и остаточным деформациям, подвижкам, разжижениям и оползням не имеет смысла думать об обеспечении прочности сооружения. Наиболее целесообразно заранее выделить такие участки и избежать возведения на них зданий и сооружений, а при крайней необходимости принимать меры для обеспечения хотя бы локальной устойчивости грунтов их оснований.
- Общие положения о колебании грунта при сильных землетрясениях
- Подготовка к землетрясениям, прогнозирование поведения сооружений
- Прогнозирование землетрясений
- Некоторые статистические данные и эмпирические зависимости между параметрами землетрясения
- Потенциальная энергия деформации среды в период подготовки землетрясения
- Энергия землетрясения
- Механика землетрясения
- Сейсмический момент землетрясения
- Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера
- Интенсивность землетрясения